一种超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节方法与流程

1.本发明属于压缩机技术领域，特别提供了一种超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节方法，适用于超临界二氧化碳闭式循环中压缩机的启动及运行调节。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，对设备的体积、效率提出了越来越高的要求，各种动力装备向着高温、高压、高转速的方向发展，超临界二氧化碳发电系统属于动力系统的一种，是以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能，其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化学燃料燃烧等。超临界二氧化碳工质的优良特性使得其系统具有良好的应用前景和研究价值。在超临界二氧化碳闭式循环中，作为关键部件，超临界二氧化碳压缩机的设计入口压力较大，对于单端悬臂式压缩机，如果在设计压力下启动，会造成启动时轴向力很大，对轴承的设计要求高，压缩机启动困难。此外，在闭式循环运行中，如何调节压缩机的运行工况，实现不同的压缩机负荷，也会显著影响系统性能。因此，有必要研究方便、可行的超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节方法，简单可行、安全可靠。
4.为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节系统，包括超临界二氧化碳补气单元、大缓冲罐、小缓冲罐、二氧化碳压缩机、回热器、电加热器、透平等设备，其特征在于，
6.所述超临界二氧化碳补气单元的排气管线通过第一连接管路与所述大缓冲罐的进口连通、通过第二连接管路与所述小缓冲罐的进口连通，且所述超临界二氧化碳补气单元的排气管线、第一连接管路、第二连接管路上均设有控制阀门；
7.所述二氧化碳压缩机的进气口分别通过第三连接管路与所述大缓冲罐的出口连通、通过第四连接管路与所述小缓冲罐的出口连通，且所述第三连接管路、第四连接管路上均设有控制阀门；
8.所述二氧化碳压缩机的排气口通过主流管路与所述回热器的进口连通、还通过一回流管路与所述小缓冲罐的回流口连通；
9.所述回热器的出口分别通过第五连接管路与所述大缓冲罐的回流口连通、通过第六连接管路与所述小缓冲罐的回流口连通，且所述第五连接管路、第六连接管路上均设有控制阀门；
10.所述二氧化碳压缩机启动前，先将所述第三连接管路、第四连接管路、第五连接管路、第六连接管路、回流管路上的控制阀门关闭，打开所述超临界二氧化碳补气单元的排气管线、第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门，将所述大缓冲罐、小缓冲罐充压至二氧
化碳压缩机启动压力，然后关闭所述小缓冲罐前第二连接管路上的阀门，将所述大缓冲罐充压至二氧化碳压缩机正常工作压力，所述二氧化碳压缩机正常工作压力大于二氧化碳压缩机启动压力；
11.接下来关闭所述大缓冲罐前第一连接管路的阀门，打开所述小缓冲罐前后第二连接管路、第四连接管路上的阀门，并同时打开所述回热器与小缓冲罐之间的第六连接管路上的阀门，启动所述二氧化碳压缩机并升速至其启动转速，所述超临界二氧化碳补气单元向小缓冲罐充气至二氧化碳压缩机正常工作压力；然后打开所述第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门，使所述大缓冲罐和小缓冲罐之间连通，二氧化碳压缩机转速继续升至工作转速；然后打开所述大缓冲罐与回热器之间的第五连接管路上的控制阀门，关闭所述小缓冲罐前后的第二连接管路、第四连接管路上的控制阀门，以及所述小缓冲罐与回热器之间的第六连接管路上的控制阀门。
12.本发明的超临界二氧化碳循环系统，由超临界二氧化碳补气单元、大缓冲罐、小缓冲罐、二氧化碳压缩机、阀门和回热器、电加热器、透平等设备组成。二氧化碳压缩机启动前，先将大缓冲罐和小缓冲罐与二氧化碳压缩机、回热器之间的阀门关闭，打开超临界二氧化碳补气单元与大缓冲罐和小缓冲罐之间的阀门，将大缓冲罐和小缓冲罐充至启动压力，然后关闭小缓冲罐前的阀门，将大缓冲罐充至正常工作压力；接下来关闭大缓冲罐前的阀门，打开小缓冲罐前后的阀门、小缓冲罐与回热器之间的阀门，启动二氧化碳压缩机并升速至启动转速，超临界二氧化碳补气单元向小缓冲罐充气至二氧化碳压缩机正常工作时入口压力，然后将大缓冲罐和小缓冲罐之间的连通阀门打开，二氧化碳压缩机转速继续升至工作转速，然后打开大缓冲罐与回热器之间的阀门，关闭小缓冲罐前后的阀门、小缓冲罐与回热器之间的阀门。通过上述技术方案，可以减小二氧化碳压缩机启动时的轴向力，使二氧化碳压缩机较快地达到正常工作状态，节省启动时间。
13.本发明优选的实例中，循环系统运行过程中，当所述二氧化碳压缩机的流量大于循环系统所需流量时，打开所述回流管路上的控制阀门，二氧化碳压缩机循环回路中部分二氧化碳进入所述小缓冲罐，循环回路中二氧化碳量减小，所述二氧化碳压缩机的入口压力降低，从而减小二氧化碳压缩机流量，当所述二氧化碳压缩机的流量达到预期值以后，关闭所述回流管路上的控制阀门。通过上述技术方案，可以通过小缓冲罐将循环中过量的二氧化碳回收，减少二氧化碳气源的浪费，同时避免将高压二氧化碳直接排放大气可能造成的干冰堵塞风险。
14.本发明优选的实例中，循环系统运行过程中，当所述二氧化碳压缩机的流量小于循环系统所需流量时，打开所述第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门，使得所述小缓冲罐中的二氧化碳进入大缓冲罐，提高所述二氧化碳压缩机的入口压力，从而增加所述二氧化碳压缩机的流量，当所述二氧化碳压缩机的流量达到预期值以后，关闭所述第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门。通过上述技术方案，可以将回收的二氧化碳作为系统二氧化碳的补给，使二氧化碳重复利用，同时实现了超临界二氧化碳循环的快速调节。
15.本发明优选的实例中，所述大缓冲罐的容积是小缓冲罐的n倍，其中，n＝1，2，3，4，
……
1000。通过上述技术方案，可以利用小缓冲罐实现超临界二氧化碳循环的快速启动，又可以利用大缓冲罐保证超临界二氧化碳循环正常运行时系统工况的稳定。
16.本发明优选的实例中，所述超临界二氧化碳压缩机的启动压力低于正常工作压
力。通过上述技术方案，可以实现低压启动，减小二氧化碳压缩机的启动压力，保障了压缩机的安全启动。
17.本发明的另一个发明目的在于提供一种基于上述系统的超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节方法，其特征在于，
18.所述二氧化碳压缩机启动前，先将所述第三连接管路、第四连接管路、第五连接管路、第六连接管路、回流管路上的控制阀门关闭，打开所述超临界二氧化碳补气单元的排气管线、第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门，将所述大缓冲罐、小缓冲罐充压至二氧化碳压缩机启动压力，然后关闭所述小缓冲罐前第二连接管路上的阀门，将所述大缓冲罐充压至二氧化碳压缩机正常工作压力，所述二氧化碳压缩机正常工作压力大于二氧化碳压缩机启动压力；
19.接下来关闭所述大缓冲罐前第一连接管路的阀门，打开所述小缓冲罐前后第二连接管路、第四连接管路上的阀门，并同时打开所述回热器与小缓冲罐之间的第六连接管路上的阀门，启动所述二氧化碳压缩机并升速至其启动转速，所述超临界二氧化碳补气单元向小缓冲罐充气至二氧化碳压缩机正常工作压力；然后打开所述第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门，使所述大缓冲罐和小缓冲罐之间连通，二氧化碳压缩机转速继续升至工作转速；然后打开所述大缓冲罐与回热器之间的第五连接管路上的控制阀门，关闭所述小缓冲罐前后的第二连接管路、第四连接管路上的控制阀门，以及所述小缓冲罐与回热器之间的第六连接管路上的控制阀门。
20.同现有技术相比，采用本发明的技术方案后，带来以下有益效果：
21.1.可以减小二氧化碳压缩机启动时的轴向力，使二氧化碳压缩机较快地达到正常工作状态，节省启动时间。
22.2.可以实现低压启动，减小二氧化碳压缩机的启动压力，保障了二氧化碳压缩机的安全启动。
23.3.当需要减少闭式循环中的二氧化碳存量时，可以通过小缓冲罐将过量的二氧化碳回收，减少二氧化碳气源的浪费。
24.4.当需要增加闭式循环中的二氧化碳存量时，可以将回收的二氧化碳作为系统二氧化碳的补给，使二氧化碳重复利用，同时实现了超临界二氧化碳循环的快速调节。
25.5.可以利用小缓冲罐实现超临界二氧化碳循环的快速启动，又可以利用大缓冲罐保证超临界二氧化碳循环正常运行时系统工况的稳定。
附图说明
26.图1是本发明的超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节系统示意图，其中，1、超临界二氧化碳补气单元；2、大缓冲罐；3、小缓冲罐；4、二氧化碳压缩机；5、回热器、电加热器、透平等设备；6-13、控制阀门。
具体实施方式
27.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明
一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1所示，本发明的超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节系统，包括超临界二氧化碳补气单元1、大缓冲罐2、小缓冲罐3、二氧化碳压缩机4、回热器、电加热器、透平等设备5，其中，超临界二氧化碳补气单元1的排气管线通过第一连接管路与大缓冲罐2的进口连通、通过第二连接管路与小缓冲罐3的进口连通，且超临界二氧化碳补气单元1的排气管线、第一连接管路、第二连接管路上均设有控制阀门6、7、8；二氧化碳压缩机4的进气口分别通过第三连接管路与大缓冲罐2的出口连通、通过第四连接管路与小缓冲罐3的出口连通，且第三连接管路、第四连接管路上均设有控制阀门9、10；二氧化碳压缩机4的排气口通过主流管路与回热器5的进口连通、还通过一回流管路与小缓冲罐3的回流口连通；回热器5的出口分别通过第五连接管路与大缓冲罐2的回流口连通、通过第六连接管路与小缓冲罐3的回流口连通，且第五连接管路、第六连接管路上均设有控制阀门11、12；二氧化碳压缩机启动前，先将第三连接管路、第四连接管路、第五连接管路、第六连接管路、回流管路上的控制阀门9-13关闭，打开超临界二氧化碳补气单元1的排气管线、第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门6-8，将大缓冲罐、小缓冲罐充压至二氧化碳压缩机启动压力，然后关闭小缓冲罐3前第二连接管路上的阀门8，将大缓冲罐2充压至二氧化碳压缩机正常工作压力，二氧化碳压缩机正常工作压力大于二氧化碳压缩机启动压力；接下来关闭大缓冲罐8前第一连接管路的阀门7，打开小缓冲罐3前后第二连接管路、第四连接管路上的阀门8、10，并同时打开回热器5与小缓冲罐3之间的第六连接管路上的阀门12，启动二氧化碳压缩机4并升速至其启动转速，超临界二氧化碳补气单元1向小缓冲罐3充气至二氧化碳压缩机正常工作压力；然后打开第一连接管路、第二连接管路上的控制阀门7、8，使大缓冲罐2和小缓冲罐3之间连通，二氧化碳压缩机4转速继续升至工作转速；然后打开大缓冲罐2与回热器5之间的第五连接管路上的控制阀门11，关闭小缓冲罐3前后的第二连接管路、第四连接管路上的控制阀门8、10，以及小缓冲罐3与回热器5之间的第六连接管路上的控制阀门12。
29.更加具体的，如图1所示，本发明的超临界二氧化碳循环压缩机的启动及运行调节系统，由超临界二氧化碳补气单元1、大缓冲罐2、小缓冲罐3、二氧化碳压缩机4、阀门6-13和回热器、电加热器、透平等设备5组成。超临界二氧化碳补气单元1后连接大缓冲罐2和小缓冲罐3，大缓冲罐2容积为15m3，小缓冲罐3容积为3m3，超临界二氧化碳补气单元1、大缓冲罐2、小缓冲罐3之间设置有阀门6-8，大缓冲罐2和小缓冲罐3后连接二氧化碳压缩机4，大缓冲罐2、小缓冲罐3与二氧化碳压缩机4之间分别设置有阀门9、10，二氧化碳压缩机4后连接回热器、电加热器、透平等设备5，二氧化碳压缩机4出口与小缓冲罐3之间设置有阀门13，二氧化碳流经回热器、电加热器、透平等设备5后回到大缓冲罐2和小缓冲罐3，大缓冲罐2、小缓冲罐3与回热器5之间分别设置有阀门11、12。
30.二氧化碳压缩机4启动前，先将大缓冲罐2和小缓冲罐3与二氧化碳压缩机4、回热器5之间的阀门9-13关闭，打开超临界二氧化碳补气单元1与大缓冲罐2和小缓冲罐3之间的阀门6-8，将大缓冲罐2和小缓冲罐3充至启动压力2mpa，然后关闭小缓冲罐3前的阀门8，将大缓冲罐2充至正常工作压力8mpa；接下来关闭大缓冲罐8前的阀门7，打开小缓冲罐3前后的阀门8、10以及小缓冲罐3与回热器、电加热器、透平等设备5之间的阀门12，启动二氧化碳
压缩机4并升速至启动转速4000rpm-5000rpm，超临界二氧化碳补气单元1向小缓冲罐3充气至启动压力8mpa，然后将大缓冲罐2和小缓冲罐3之间的连通阀门7-9打开，二氧化碳压缩机4转速继续升至工作转速，然后打开大缓冲罐2与回热器5之间的阀门11，关闭小缓冲罐3前后的阀门8、10、小缓冲罐3与回热器5之间的阀门12。采用此启动方法可以减小二氧化碳压缩机4启动时的轴向力，使二氧化碳压缩机4较快地达到正常工作状态，节省启动时间。
31.当二氧化碳压缩机4流量大于循环系统所需流量时，将小缓冲罐3与压缩机4出口之间的阀门13打开，将过量的二氧化碳回收到小缓冲罐3，减少二氧化碳气源以及二氧化碳压缩能的浪费。
32.当二氧化碳压缩机4流量小于循环系统所需流量时，将小缓冲罐3与大缓冲罐2之间的阀门7、8打开。将小缓冲罐3内的二氧化碳补给到循环系统内，使二氧化碳重复利用，同时实现了超临界二氧化碳循环流量的快速调节。
33.通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。